1、基于 Nios软核的运动目标跟踪系统设计APPLICATl0NS基于 Nios摘要:针对传统的足使稿和露天使用要设计了一种运动目标现方法作了较详细的快,并可保证很好的关键宇:运动目标检孙莹涛李玉山西安电子科技大学电路 AD 研究所 376 信箱引言近年来.随着现场可编程逻辑阵列 fFPGA)的发展,采用 Nias软核处理器在 FPGA 上没汁一种运动目标检测跟踪的片上系统成为可能事实上.采用 Nios处理器的自定望指.并用硬件实现部分算法,可以大大提高数据的处理速度,保证较好的实时性同时,在外围电路不变的情况下,通过改变 FPGA 内部的电路设计.能使系统功能升级和增强.下面介绍一种基于 Ni
2、oslI 软核处理器的运动日标检测跟踪系统的设计方法系统组成及 I 作碌理运动日标检测跟踪系统可根据应用场合定制为不同的功能,而且小同的功能只需要在 Nios 中写入相碰的 C语言程序即可,不需要再做硬件板,非常方便.下面介绍一种比较通蜊的运动目标检测跟踪系统.该系统的结构框图如图 1 所示本文设汁的运动检测跟踪系统主要包括三个模块:图象采集模块,运动目标检测跟踪模块以及数据通信模块(1)图像采集模块该模块主要包括摄像头和外扩SRAM 本系统采用的图像传感器是HV7131R.klV713lR 是韩国现代公司采用 0.3m 工艺生产的 CMOS 传感器.其有效像素大于 30 万个,功率损耗低于
3、90mWHV713lR 配置方便,n 目过标准的 rc 接 n 设置芯片内部的控制寄存器,控制图像的曝光时间,分辨率,帧牢,RGB 增益,水平/垂直镜像等.HV7l31R 输出 1O 他的 RGB 原始数据,一般采用高 8 位f2)运动目标捡洲跟踪模块i 蛊模块采用的 FPGA 选择 Altera 公司 Stratix 系列的 EPIS25 该芯片的片L 资源比较丰富.有 25660 个逻辑单元(LE1.1944576bits 的 RAM,10 个DSP 模块,6 个数字锁相环(DP1.I.1,用户可用的 I/O 最多达到 702 个我们在 EPIS25 中嵌入 Nios 软核.控制 j 主接
4、在外部.总线上的 SILM 和 FInsh,用它的以太网模块单元拄制以太_圳接几芯片 IAN91CI1其 rJlFPGA 是主芯片罔 l 可以看到,在 l 片 FPGA 中包含了 Nios 处理器 SRAM 控制器,SDRAM 控制器,Flash 控制器,UART 以及摄像头和外扩 SRAM 控制器的用户逻辑模块这正体现了 Nios 的优势实际【:将很删 CIli.ECDn2006.7 电子元嚣件童用 87-一-. .JFPGAEP1$25图 1 基-T-NioslJ 软核的运动目标跟踪系统设计多资源集中在 FPGA 中为设计 PCB 带来了很大便利,而且系统的更改也变得非常容易,只要重新在
5、FPGA 中添加不同的模块就可以了.例如在SRAM 中存储嵌入式系统所用的向量表,数据和程序等.而 Flashl0 用于在系统掉电的情况下存储程序和数据.(31 数据通信模块根据实际情况选择用以太网或GPRS 把运动目标检测跟踪后的结果发送到主控制站.在有以太网连接的条件下优先选用以太网连接,可以提供相对较高的传输速率和可靠性,在没有以太网的条件下选用 GPRS 连接进行通信.同时,如果用户需要,也可以直接在 LCD 上显示.运动 g 标跟踪算法的实现在图像处理和机器视觉领域,运动目标检测跟踪算法的研究比较热门,近年来出现了许多新的算法,但可以归结为以下四大类:光流场分析算法,主动轮廓算法,统
6、计模型算法以及图像差分算法.前三种方法与第四种方法相比,具有精度高,定位准的优点.但算法的复杂性较高,目前难以在硬件平台上实现实时处理,因此,本系统采用了差分算法.我们主要针对背景和摄像机都静止这一特定应用场合,选用了背景消减的运动检测和跟踪算法.这种算法的关键在于背景重建,在此我们应用帧间平均的背景重建方法,为了克服背景消减算法噪声较大的先天不足,我们采用了形态学滤波方法去除噪声.整个算法的实现过程如图 2 所示.帧间平均算法使用当前帧之前各帧的象素平均值作为当前背景的估计值,如式(1)所示 :f,o,y),y)=1)B+(1)n=l,2,3,式中:B,y)为第 n 帧估计背景中,y)点的像
7、素值,厶,y) 为第 n 帧原始图象中,y) 点的像素值.其中,背景是随着 n 增加逐渐恢复的,所以背图 2 运动检测跟踪算法的实现过程88 电子充器件主用 2006.7WW.ChinCDmef景恢复过程并不影响图象处理结果的实时传输.显然,n 越大,背景恢复越真实,我们可以控制 n 的大小来调整处理时间和处理效果之间的平衡.实验证明:n 等于 64 时足可以得到比较好的效果.我们使用 NiosII 的定制指令,可以将一个复杂的标准指令序列简化为一个用硬件实现的单一指令,从而简化系统软件设计并加快系统运行速度.在运动目标检测跟踪算法中,对运动图像的处理数据运算量大,循环数目多,而 NiosII
8、 的定制指令个数已增加到 256 个,可以使用定制指令完成许多循环内的数据处理,从而加速数据处理的速度.定制指令逻辑和NiosII 的连接在 SoPCBuilder 中完成.NiosIICPU 配置向导提供了一个可添加 256 条定制指令的图形用户界面,在该界面中导入设计文件,设置定制指令名,并分配定制指令所需的 CPU时钟周期数目.系统生成时,NiosIIIDE 为每条用户指令产生一个在系统头文件中定义的宏,可以在 C 或 C+应用程序代码中直接调用这个宏.结束语本文的运动目标检测跟踪系统利用 32 位 NiosII 软核处理器在 FPGA 上来完成设计,大大减小了系统的体积,而且在 PC 机上开发的程序可移植到 NiosII 处理器上来实现片上系统.从而方便地把用户需要的接口和自定义逻辑加入到系统中去.本文介绍的方法体现了 SOPC 嵌入式系统的灵活性.因此,这种方法能够有效地缩短开发周期,同时能够延长产品的生命周期,还可以不断地在原有产品的基础上进行升级设计.哪参考文献【1任爱锋 ,等.基于 FPGA 的嵌入式系统设计【M.西安:西安电子科技大学出版社,2004.
